诗词中的地质⑤ 生物风化作用

作为三大风化作用之一,生物风化作用经常与物理风化作用、化学风化作用同时进行。生物风化主要指生物通过根劈作用、分泌有机酸或腐败产生腐殖酸,对岩石和矿物产生破坏作用,加速其风化。生物风化促进了岩石风化后土壤的形成,也是改变山川地貌和地表建筑的“开路先锋”。本期,我们一起走进古诗,探寻那些隐藏在古诗中的生物风化作用。

风化壳型稀土矿床中稀土元素的活化与迁移

稀土元素(REE)广泛应用于新能源、国防军工等高科技产业中,是一类战略性关键矿产资源。风化壳型稀土矿床是中国最具竞争优势的稀土资源,其供应了全球90%以上的重稀土。阐明这类稀土矿床的成矿机制,可为寻找和高效开采利用该类稀土资源提供理论支持。文章以稀土元素的活化和迁移这两个关键过程为切入点,总结近年来取得的最新研究成果,并对未来的研究方向提出展望。该类矿床主要发育于富稀土花岗岩类的风化壳中,其中稀土配分模式主要受基岩控制。花岗岩类风化壳的形成以化学风化和生物风化作用为主。长石、云母和角闪石等主要造岩矿物风化形成的黏土矿物和铁锰氧化物是该类矿床中离子态稀土的主要赋存载体。而离子态稀土则来源于基岩中易风化和中等抗风化(含)稀土副矿物的风化和分解。此外,微生物分泌的有机酸等代谢产物可以促进难风化的独居石和磷钇矿等副矿物的风化和分解,加速稀土元素活化-迁移。与此同时,微生物作用还会导致轻稀土和重稀土的显著分异,其中革兰氏阳性细菌对重稀土的选择性显著高于轻稀土。在风化淋积过程中,稀土元素的络合离子可能是风化壳中稀土迁移的主要形式,主要受pH值、次生矿物形成和络合环境影响。值得注意的是,除了F^(-)和CO_(3)^(2-)等无机配体,有机质也可以直接与稀土离子络合或螯合,充当有机配体促进稀土的运移。因此,风化壳型稀土矿床中稀土元素的活化和迁移机制主要受化学风化和生物风化过程控制,是无机和有机共同作用的结果,但其对该类矿床形成的贡献尚待定量评估。

琼东南盆地松南低凸起YA区花岗岩潜山风化壳储层特征及发育控制因素

为揭示琼东南盆地松南低凸起YA区花岗岩潜山型油气藏发育机理与成藏规模,运用岩心、物性、元素、磷灰石裂变径迹分析测试资料及测井-地震解释,研究了区内花岗岩潜山风化壳储层特征及发育控制因素、风化壳发育史及残余厚度分布。研究表明:YA区花岗岩系形成于印支期早三叠世,盆地基底在古新世—中新世经历多次构造抬升及沉降,风化壳分两期形成并得以保存,区内热带季风型古气候促进了花岗岩系化学风化作用。区域构造演化、古气候及岩石类型是控制区内古潜山风化壳发育的主要因素。风化壳发育程度存在显著差异性,区内古构造高点处的花岗岩风化壳残余厚度大。YA区花岗岩具有显著的钙碱性-碱性、准铝质-过铝质特征,属于易风化岩石类型。区内风化壳垂向上可分为残积-坡积层、砂化层、风化裂缝层、水平潜流层和基岩层。风化裂缝层是最有利储层,平均孔隙度为11.46%,平均渗透率为5.98×10^(-3)μm^(2),物性随深度增加逐渐变差。花岗岩风化壳在测井曲线上呈现高自然伽马值、高电阻率、低密度和高声波时差等特征,测井指标变化趋势与物性变化趋势基本吻合。地震波反射属性高异常程度与风化壳裂缝发育程度基本呈正相关规律。

山脉隆升驱动硅酸盐风化机制研究进展

山脉隆升与气候变化的关系是近几十年来的研究热点。自20世纪80年代著名的“构造抬升驱动气候变冷”假说在提出以来,山脉隆升通过硅酸盐风化驱动百万年尺度气候变化的观点已深入人心。尽管许多大陆风化记录已经建立,但它们往往存在多解性,难以直接验证该假说。这激发了大量从现代过程角度验证该假说的研究,但部分研究发现山地流域的风化不受物理剥蚀过程控制,因此不太可能响应构造活动而发生变化,与“构造抬升驱动气候变冷”假说的核心观点相矛盾。文章综述了山脉隆升驱动硅酸盐风化机制研究的相关进展并分析了这一矛盾产生的原因,探讨了异地风化作为解决该矛盾的新风化机制的可能性,并初步展望了异地风化研究领域的机遇和挑战。

极地化学风化漫谈

在地质历史时期,大陆化学风化作为一种调节气候的负反馈机制,是维持“宜居地球”的关键。然而,地质记录中的证据显示,新生代以来气温逐渐下降,而大陆化学风化却逐渐增加,对这一机制提出了挑战。深入研究化学风化和温度的关系成为解答这一矛盾的关键,也是当前地球系统科学研究的热点。近期有研究显示,高纬极地地区虽然温度低,但其河流沉积物的化学蚀变指数(chemical index of alteration,CIA)却达到中等风化水平。因此,深入研究极地化学风化,可能是打开风化与温度之谜的关键钥匙。本文回顾了南北两极地区化学风化研究的主要进展和成果,并尝试总结极地地区化学风化的主要特征。南北两极不同的地理格局和地质背景决定了两极化学风化的差异。南极大陆由于冰盖覆盖缺乏河流,沉积物多为就近搬运和沉积;而北极地区周边大陆有众多大型河流,源-汇体系发育,水文条件和母岩属性决定了北极地区具有更强的沉积风化记录。相比低纬热带典型风化区域,目前对极地地区尤其是南极地区化学风化的研究仍十分欠缺,新兴地球化学分析开展的较少。在未来大陆风化研究中,重视和加强两极地区的化学风化研究有利于完善低温条件下的化学风化机理的探索;同时,在当今全球变暖和极地放大效应的影响下,研究极地的化学风化如何加速全球碳汇效应可以加深对全球气候变化理论的认识。

三峡坝区花岗岩风化分带的化学风化特征指标研究

以前人应用物理性指标划分风化壳垂直分带为基础,对长江三峡坝区各地貌部位的采样,用X射线荧光光谱仪对样品进行化学成分分析,用显微镜对矿物组成进行鉴定,选取了12个具有代表性的、能反映化学风化特征的风化系数,进行了化学风化特征值的详细计算,对风化壳垂直分带的元素迁移规律和化学特征值做了系统描述,希能为三峡坝区风化壳的垂直分带提供化学特性指标,以完善风化壳垂直分带指标体系.

低程度风化火山岩风化壳结构划分与主控因素——以准噶尔盆地西缘车排子凸起石炭系火山岩为例

为解决低风化程度的火山岩风化壳结构划分及火山岩油气储层评价与预测的难题,利用研究区28口井岩心、录井测井和地震资料,对车排子凸起石炭系火山岩风化壳的岩石学、矿物学、地球化学、储层物性进行系统研究。结果表明:研究区岩石整体风化程度偏低。在此基础上提出一种将风化壳自上而下分为土壤带、水解带、淋滤带、崩解带、蚀变带、母岩带的6层划分方案。利用研究区玄武安山岩的自然电位、自然伽马、声波、电阻率4种测井数据,结合过采样算法的决策树模型对淋滤带、崩解带、蚀变带进行分类判别,准确率达87.8%。综合分析认为:低风化程度火山岩风化壳有效储层厚度、结构带发育程度、横纵向分布等具有非均质性;有利储层发育主要受古地貌和断裂作用的控制,淋滤带、崩解带是主要有利储层发育区,常分布于古地貌的斜坡地带,一般厚度在350 m以内;受断裂作用影响,风化壳有效储层厚度可达450 m。

风化壳研究的现状与展望

风化壳是岩石圈、大气圈以及水圈、生物圈之间相互作用的界面 ,能够直接记录地球多圈层演化的信息。利用风化壳的地带性规律重建古环境是地貌学研究的传统内容之一。近年来 ,单晶矿物激光4 0 Ar/ 3 9Ar测年技术、“双面”模式以及古地磁法等在风化壳研究中的成功应用 ,在理论和技术上为恢复大陆剥蚀区高分辨率的环境演变历史创造了条件。利用风化年代学、风化地层学、古地磁学和地球化学等方法对风化壳进行综合研究 ,不仅可以建立剥蚀区的环境演变序列 ,为风化期次(事件 )与其他全球性构造 气候事件的对比提供了广阔的前景 ;而且可以用于化学风化 (强度和速度 )的准确量化 ,有利于深入理解构造 剥蚀 风化 气候之间相互作用的反馈机制和正确评估人类活动对未来气候的影响能力。

硅酸盐玻璃的风化

综述影响浮法玻璃、压延玻璃、光学玻璃、晶质玻璃和器皿玻璃的耐风化性因素 ,风化产物的形貌和风化过程。导出了玻璃表面风化析碱量和环境条件如温度、湿度和时间的关系 :玻璃样品的析碱量随风化温度、湿度和时间而增加。风化产物的形貌和成分用SEM ,WDS ,EPMA和XPS来检测。结果表明 :钠钙硅酸盐玻璃风化表面产物主要为钠和钙的碳酸盐。如玻璃发生分相 ,玻璃的耐风化性不仅与玻璃成分有关 ,还与分相形貌有关。富硅滴状结构易风化 ,风化程度随富硅相液滴的数量而增加。在相同条件下 ,富硅相的连通结构降低玻璃的风化程度。还阐述了玻璃风化机理及如何防止风化的方法 。

对岩石风化程度敏感的化学风化指数研究

风化是引起岩石力学性能劣化的重要因素,风化敏感性指数是对岩石风化程度进行定量评价和较准确地确定岩石风化深度的基础。本文在大量不同风化等级、时间及不同深度下岩样化学测试资料的基础上对风化敏感性化学风化指数进行了研究,研究表明:在前人提出的化学风化指数中,WI、WPI和LOI这三个指数对风化程度、时间和深度的变化都显示出明显的单调性和敏感性,可用它们作为评价岩石风化程度和确定风化深度的依据;ALK、a、b没有反映出与风化程度变化的单调性,不宜用它们作为评价岩石风化程度和确定风化深度的依据。

古生物化石的风化机理与保护研究进展

化石是研究地质历史、气候变迁、生物演化等的实证,有着极其重要的科学价值。一般情况下,化石经过成岩和化石化作用被无机矿物交代,有一定的抗风化能力,在经过常规清理加固处理即可稳定保存。然而在相对潮湿的环境中,部分化石因其组成成分容易发生物理化学变化,从而开裂粉化,严重威胁其保存。笔者等简要回顾了化石修理加固技术的发展历史,并从风化机理和保护两方面着重介绍了当前学界对化石中盐风化、黄铁矿氧化、干燥失水开裂等方面的研究进展,最后简要对化石保护与文物保护的关系进行论述,以期推动化石保护学科的深入发展。

煤矸石集料的加速风化制度研究

本文以三种不同排放地的原状煤矸石为研究对象,分别采用干湿循环、冻融循环以及耐崩解性试验对煤矸石集料进行加速风化,旨在研究煤矸石的风化特性。以加速风化后的煤矸石集料质量损失率和压碎值指标对煤矸石风化特性进行表征,研究加速风化制度、颗粒粒径、服役状态对煤矸石集料风化特性的影响,同时采用XRD、SEM以及EDS微观测试手段揭示煤矸石的风化机理。结果表明:采用干湿循环方式得到的煤矸石集料质量损失率和压碎值指标与自然状态下煤矸石集料风化180 d的最为接近,同时煤矸石集料粒径越大越容易发生风化,且服役状态下,煤矸石集料的风化作用不明显。微观测试结果表明,煤矸石风化机理为在风化过程中煤矸石内部的矿物组成及结构受到破坏,导致煤矸石发生崩解、脱落,而服役状态下的煤矸石由于被胶凝材料包裹,风化概率有效减小。

花岗闪长岩和玄武岩风化过程中的稀土元素分异

稀土元素(REE)在表生风化过程中表现出独特的分布规律与分异特征,对于示踪化学风化和成土过程意义重大。本研究对湖南攸县玄武岩风化剖面样品进行了酸淋滤处理(1 mol/L HCl淋滤),并分别测试了残渣态、酸溶态组分的元素地球化学组成。结合前人在福建仙游花岗闪长岩剖面的矿物学及元素地球化学数据,对比研究了花岗闪长岩和玄武岩风化过程中的稀土元素分异行为。结果表明,仙游剖面与攸县剖面全岩样轻、重稀土分异特征受原生矿物(如富稀土难溶副矿物、斜长石)影响明显,多代表成土母质信息;两剖面的酸溶态组分轻、重稀土分异特征与次生黏土矿物组成相关(高岭石影响明显,蒙脱石无影响),多反映环境信息;pH值变化以促进磷酸盐矿物溶解的方式深刻影响着中稀土元素行为,因此酸溶态组分的中稀土元素组成信息不具地质意义。研究揭示,通过对风化剖面酸溶态组分稀土含量参数(ΣREE)及轻、重稀土分异程度参数(La/Yb)P的联用,可有效消除岩性(成土母质)因素的影响,精确示踪风化成土过程的不同阶段,从而可以作为剖面风化程度的替代性指标。

风化煤腐植酸的提取应用研究进展

风化煤含氧量高、发热量低使其失去了作为燃料的价值,作为煤炭资源衍生而来的矿产资源,没有发挥出最大经济价值。但是,风化煤富含腐植酸,可以制备高附加值腐植酸,进而应用于工业、农业等领域。基于风化煤的化学性质和特点,简单介绍了风化煤腐植酸的结构表征方法,对风化煤的预处理方法及碱溶酸析法、催化法、微生物溶解法、絮凝法、序贯溶解法等腐植酸提取方法进行了综述,介绍了风化煤腐植酸的应用研究进展,并提出了风化煤腐植酸提取新工艺的研究方向,为推动风化煤资源的高附加值利用奠定了基础。

火山岩风化壳储层发育模式及测井划分方法

近年来在准噶尔盆地火山岩顶部风化壳油气藏勘探获得重要发现,但是对风化壳储层结构特征认识不清,缺乏有效的测井划分方法。以准噶尔盆地中拐凸起石炭系为例,通过地质和测井资料对火山岩风化壳结构、响应机理及发育模式进行系统性分析,基于测井曲线响应特征建立风化壳指数模型,形成了一种火山岩风化壳储层结构的测井评价方法。为寻找风化壳优势储层及后期的试油射孔提供了参考,并取得了较好的应用效果,对后期火山岩风化壳油气藏勘探开发具有重要的指导意义。

大湾区中生代花岗岩风化成壤过程中硅元素释出机制——以珠海斗门为例

硅是植物生长的有益元素,也是人和其他动物生长发育、骨骼形成不可或缺的微量元素。在地球表层系统中,大多数的硅以硅酸盐矿物和石英的形式赋存于岩石之中。伴随着地表硅酸盐矿物的风化,硅可以水为载体不断向周边环境释放并参与到生物地球化学循环中,为陆地和海洋生物提供所需的硅元素,维持生态系统健康,在全球物质循环中起着重要作用(Yang Jinling et al.,2018)。

风化矿选矿技术现状与进展

矿石风化后其理化性质发生了复杂变化,导致后续选矿难度大、分选效率低。详述了风化金属矿和风化非金属矿选矿技术现状,归纳总结了风化矿分选的主要方法。针对含泥量高、粒度细、嵌布复杂的风化金属矿,可采用预处理强化以及加强分级选矿等方法进行多段选别,提高选矿效果。针对风化非金属矿氧化程度高、杂质含量多的特点,利用辅助手段剥去矿物表面氧化层,联合浮选工艺以及分级选矿的方法可获得较高品位的精矿。通过对风化后的矿物进行工艺矿物学研究,可掌握目的矿物和伴生矿物风化后的矿物特征,为制定分选工艺、选择分选设备、确定选矿药剂提供技术指导。进行矿石工艺矿物学研究是风化矿分选的前提,开发先进分选工艺设备、研制高效选矿药剂是风化矿选矿未来研究的重点。

不同风化程度花岗岩的动态力学特性及抗侵彻性能

风化会使岩石材料孔隙发育,严重影响其工程性能,研究风化作用对花岗岩力学特性及抗侵彻性能的影响,对侵彻战斗部毁伤效能评估及地下工程防护能力分析具有重要意义。选用两种不同风化程度的花岗岩为研究对象,基于试验法系统分析其物理特性、静/动态压缩性能及抗侵彻性能的差异。结果表明:风化作用会造成花岗岩中黑云母和斜长石含量降低,孔隙率增加、内部组织变松散,缺陷加剧;风化作用将导致花岗岩抗压强度劣化、应变率效应降低,破坏模式从脆性破坏向弱剪切破坏转变;三轴围压作用下,两种花岗岩的静、动态抗压强度随围压的增大显著提升,且中风化花岗岩的抗压强度对围压的作用更敏感;高速(873~1040 m/s)侵彻条件下,两种风化花岗岩的抗侵彻性能差异较小,无量纲侵深不超过3倍弹长,岩石靶中不存在明显的侵彻弹道区,但有明显的压碎区,压碎区长度约为弹径的5~8倍。

全球风化淋滤型赤铁矿矿床形成条件的讨论——以几内亚西芒杜矿床(Ⅰ、Ⅱ区块)为例

条带状铁建造(BIF—Banded Iron Formation)上部发育的赤铁矿床(w(TFe)>62%)是全球最重要的铁矿资源,但对其成矿条件的认识仍然存在争议。文章以几内亚西芒杜赤铁矿矿床(Ⅰ、Ⅱ区块)为例,根据全球古板块(含BIF)漂移轨迹,并按成矿系统“五要素”(源、运、储、变、保)对全球风化淋滤型赤铁矿矿床的形成条件进行讨论。文章认为丰富的矿源层是形成赤铁矿床的基础;条带状铁建造出露地表,板块(含BIF)漂移穿过赤道和南、北回归线是必备条件;上亿年的热带环境和热带雨林生物及微生物的作用是脱硅的关键;富氧化铁矿石的后期改造提高矿石质量;赤铁矿矿体大部分得到保存能形成超大型矿床。

中纬度造山带地区的长期化学风化——中亚和北美的对比研究

长期化学风化速率(LCWR)和化学风化剥蚀率(CDF)是表征区域化学风化程度和揭示地貌和气候系统演变的重要依据。全球尺度上,中纬度地区的长期化学风化研究远比低纬地区争议更多,原因之一是其风化机制在理论认识上仍存在不确定性,特别是造山带地区的长期化学风化与物理侵蚀、构造、气候之间的关系等。本文利用地球化学质量平衡方法,针对北半球中纬度典型造山带(中亚黑河流域和北美内华达山脉)开展了相关数据和资料的系统整理与再分析,估算了黑河流域的LCWR值和物理侵蚀速率(E)值并与内华达山脉进行了对比研究。分析结果表明,黑河流域、内华达山脉的LCWR分别为17.4~895t/km^(2)/a、1~173t/km^(2)/a,CDF分别为0.17~0.81、0.02~0.61,LCWR与E均显著正相关,与海拔高度、年均温度、年均降水量等仅局部相关。研究区的长期化学风化主要表现为“供应受限型”风化,但黑河流域局部地区已处于“供应受限”与“动力学受限”过渡的风化阶段。结合回归分析结果和已有成果的综合分析,中纬度造山带地区的长期化学风化速率受到地质、气候等因素的协同影响,但主控因素为地质因素,而化学风化剥蚀率则主要受控于其他因素。